土坡失稳破坏机理浅析

通过改写的边坡稳定分析程序,对单个特定圆弧,分析土坡坡度、上下游水位及圆弧中心角等多种因素变化时,对边坡下方部分土体滑动安全系数变化的影响。研究结果表明,存在安全系数局部小于整体的情况,并且当坡度越陡时,边坡更容易出现坡脚处土体首先滑动而非整体失稳破坏。同时,在土坡稳定分析条分法计算过程中,考虑采用反向递推模式进行土条累加计算更为合理。     

基于结构面几何参数的深部隧洞围岩破坏机理研究

岩体的强度主要由结构面控制,为确定结构面对隧洞围岩的影响,在对围岩中单一结构面的应力分布和破坏形式进行理论分析的基础上,研究了结构面倾角以及结构面到隧洞中心的距离对节理围岩破坏机理的影响。并利用3DEC离散元程序分别对不同结构面分布、不同岩石强度和结构面强度下18种组合的围岩变形进行了计算,分析了结构面不同分布情况下围岩的破坏模式;对比分析岩石、结构面强度不同组合下岩石强度和变形特征,研究了结构面力学变形性质在岩体损伤破坏中的贡献。研究结果表明:结构面距开挖轮廓线越近越容易发生破坏;结构面倾角影响结构面首先发生破坏的位置;结构面的分布决定围岩首先发生破坏的位置,结构面的破坏不一定会导致围岩的破坏。研究成果对不同结构面组合分布的围岩变形和破坏分析具有一定的指导意义。     

加筋土结构的性状及破坏机理

加筋土用于土木工程中既安全又经济,但其性状十分复杂,至今未搞清,所以尚缺合理的设计方法。关键是过去的研究路线有问题,如用与原型不相似的普通小比尺模型试验及没有破坏性状的原型观测,从这些资料中是研究不出既安全又经济的设计方法的,所以这二法目前国际上已不用,而用相似性很高的离心模拟技术来研究加筋土体,此技术在我国起步较晚,尚未普及,故本文用相似理论来说明离心模型的必要性及普通模型不能用的原因。并介绍近期(1988～1991年)国际会议上,用此新技术研究加筋土的最新成果:(1)加筋土结     

闽东地区含砾花岗岩残积土的细观剪切特性研究

通过数字图像技术细致描述了闽东地区花岗岩残积土中砾石的颗粒形状特征,并通过簇颗粒在ＰＦＣ数值平台上实现了砾石颗粒的二维重构。进而建立含砾花岗岩残积土的离散元数值模型,对现场大型直剪试验全过程展开细致的数值模拟,探讨了含砾花岗岩残积土的细观剪切特性。从细观颗粒的统计结果上看,球颗粒／簇颗粒的平均相对水平位移和平均转动量,均沿试样高程大致呈正态分布;对其进行正态曲线拟合,发现其剪切带中心并不在剪切面位置,而是略向上发生偏移;同时通过定义上下一个标准差精确计算剪切带宽度;上述剪切带中心偏移量和剪切带宽度均随竖向压力的增大而逐渐减小。另一方面,颗粒间接触力链的分析表明,强力链主要集中在砾石颗粒间;而细颗粒则填充试样孔隙,使得各颗粒间咬合更加充分;二者共同作用有利于形成较为稳定的强力链,增强了含砾花岗岩残积土的抗剪强度。     

层理面细观参数对层状岩体强度特性影响的研究

为了从细观角度研究不同层理面的细观参数对层状岩体强度特性的影响,利用颗粒流建立数值模型,从细观角度将层理面力学参数分为黏结强度、摩擦作用和咬合作用3个方面,通过开展不同层理倾角下层状岩体单轴压缩试验的数值模拟,初步探讨了层理面力学参数对层状岩体强度的影响。结果表明:当层理黏结强度与基岩相差很大时,其影响可以忽略,而当其与基岩黏结强度比较相近时,其影响很大;层理摩擦作用对岩体整体强度的影响很小;层理咬合作用由层理厚度体现,是影响岩样整体宏观强度的重要因素,在试验颗粒级配条件下,当层理厚度取大约3倍最小颗粒半径时比较合理。     

西南某水电站库区古滑坡堵江成因 及变形破坏机理研究

通过现场调查,结合边坡的地形地貌、坡体结构、变形破坏和江岸纹泥沉积特征,分析认为滑坡在变形破坏后高速下滑,撞击对岸山体并堰塞堵江,在经历长期的河湖相沉积后逐渐溢流溃决,部分滑体分别残留于左、右岸山坡上。根据恢复的原始地形,通过刚体极限平衡分析可知滑坡为地震诱发,为了进一步研究滑坡堵江成因和变形破坏机理,运用离散元数值软件进行模拟分析。研究表明天然状态下坡体浅表部沿层面和缓倾坡外优势结构面产生卸荷拉裂,地震作用使坡体内部层面拉裂并沿缓倾坡外优势结构面剪断破坏,其破坏堵江过程可概括为前缘剪切变形、后缘震动拉裂→滑面贯通、高速下滑→铲刮河床、刨蚀对岸山体→前缘受阻隆起、后缘坐落下滑、中部堰塞堵江→震后停积自稳,坡体具有明显的动力放大效应。     

含非贯通软弱结构面岩质边坡渐进破坏过程数值模拟

含非贯通软弱结构面岩质边坡的变形破坏过程涉及到岩体从连续转变为非连续状态的过程，是岩石边坡工程的研究重点和难点之一。采用数值流形方法研究了岩质边坡的变形破坏过程。数值流形方法模拟裂隙扩展的优势在于其数学覆盖和物理覆盖两套网格系统，不连续面切割数学覆盖后生成相互分离的物理覆盖，数值流形方法则通过物理覆盖来形成不连续面两侧相互独立的流形单元。通过在裂纹尖端引入粘结裂纹扩展模型以及岩体起裂和扩展判断准则，发展了可模拟岩体裂隙扩展的数值流形方法。最后，采用该方法模拟了西南地区某水电站高边坡的渐进破坏过程，从裂隙扩展角度研究了岩体稳定性的影响，并提出了相应的工程处理措施。     

不同应力路径下颗粒材料细观结构分析

用离散单元法对颗粒材料的双轴压缩试验进行了模拟,分析了不同应力状态时颗粒材料细观结构的发展规律。由经典土力学中土体骨架的细观表达出发,延伸出一种表述结构力链的数学统计参数。研究了该参数在不同应力路径下的变化趋势,验证了该参数对于描述颗粒材料细观结构的合理性,并从细观结构的角度解释了破坏滑动面产生的原理。通过定量描述加载过程中土体内部力链结构的变化,建立细观与宏观之间的关系,从细观机理上解释了宏观试验中破坏滑动面一般呈现45° + φ/2左右的事实,为今后从细观结构角度研究土体宏观特性提供了一个新的思路。     

不同应力路径下颗粒材料细观结构分析

用离散单元法对颗粒材料的双轴压缩试验进行了模拟，分析了不同应力状态时颗粒材料细观结构的发展规律。由经典土力学中土体骨架的细观表达出发，延伸出一种表述结构力链的数学统计参数。研究了该参数在不同应力路径下的变化趋势，验证了该参数对于描述颗粒材料细观结构的合理性，并从细观结构的角度解释了破坏滑动面产生的原理。通过定量描述加载过程中土体内部力链结构的变化，建立细观与宏观之间的关系，为今后从细观结构角度研究土体宏观特性提供了一个新的思路。     

基于PFC流固耦合的细观尺度混凝土水力劈裂研究

针对其他数值方法模拟水力劈裂的局限性,基于PFC颗粒离散元法建立了细观尺度混凝土水力劈裂流固耦合模型.模拟中提取随机圆形骨料信息生成不规则多边形骨料三相细观模型,通过平行粘结体现界面相力学,流体域之间管流体现混凝土各相渗流特性,并且各相取各自的平行粘结力学及渗透参数.通过创建存储渗流管道信息的链表,确保了渗流管道孔径与...     

粉土填料细观剪切特性的颗粒离散元数值模拟研究

以厦蓉高速改扩建工程为背景,按现场技术标准配置４组粉土填料试样,开展室内直剪试验,同时在ＰＦＣ2Ｄ离散元平台上模拟试样的直剪试验全过程,探讨粉土填料的细观剪切特性。结果表明:随着剪应变增加,接触黏结破坏区域由剪切面附近点逐渐扩大为具有一定厚度的贯通条状带,使得粉土填料的抗剪强度下降,表现出应变软化特性。从统计结果上看,球颗粒的平均转动量和平均相对位移,均沿试样高度方向大致呈正态分布;对其进行正态曲线拟合,发现剪切带中心并不在设定剪切面位置,而是略微向上发生偏移;同时通过上下一个标准差的定义,可精确计算剪切带宽度。对比不同竖向压力下数值模拟的统计结果,发现剪切带宽度随竖向压力的增大略有减小,但剪切带中心偏移基本不变。     

颗粒级配对砂土剪切特性的影响及细观机理研究

为了探索砂土颗粒级配对其剪切特性的影响,以标准砂为基本材料,制备4种不同人工级配砂进行室内直接剪切试验;同时建立了和4种人工制备砂土相同级配的离散元数值试样进行数值剪切试验。直剪试验结果表明,颗粒级配对砂土内摩擦角影响比较明显,总体表现为内摩擦角随不均匀系数的增大而增大,随曲率系数的增大而减小。离散元数值模拟表明,砂土初始级配对孔隙率、颗粒配位数以及颗粒滑动率的影响都比较显著;砂土试样的破坏是与颗粒级配有关的渐进破坏过程;剪胀系数均随d_(10),d_(30)和d_(60)的增大而先减小后增大。     

三种倾角结构面对岩体变形破坏特征影响研究

以山西朔州麻家梁煤矿砂岩以及张集煤矿闪长岩为例,将岩样加工成60°,75°,90°三种倾角结构面的岩样,并对加工后的结构面进行水泥填充,进而研究3种倾角结构面对岩体力学特性与破坏形态的影响。单轴压缩试验与数值模拟试验结果表明:随着倾角的增大,两种岩性岩样单轴抗压强度都呈现上升的趋势,同条件下的闪长岩岩样单轴抗压强度要小于砂岩岩样单轴抗压强度;结构面倾角为60°与75°的岩样主要从顶部与侧面结构面附近萌生裂隙开始发生破坏,随着加载应力不断增大,岩体顶部应力集中部分将出现破碎并使岩体完全破坏,而结构面倾角为90°的岩样主要是由于岩体顶部萌生出大量竖向扩张劈裂隙使岩体发生破坏。     

滑坡滑动带破坏机理的微观结构初探

运用大型多功能材料试验机,对滑动带进行室内试验研究,并对其破坏过程中颗粒、孔隙等做了定性分析与定量性考察,揭示了滑动带的破坏机理与微观结构之间的联系,并确定孔隙率可以做为滑动带滑动过程描述的定量指标。     

砂土振冲密实的细观颗粒流模拟

对二维颗粒流程序PFC-2D进行二次开发,采用其内置的Fishtank函数库和FISH语言,定义了模拟砂粒和振冲棒的颗粒块,建立了模拟砂土地基振冲加固过程的细观颗粒流模型以及相应的边界条件,研究了振动频率和振冲方向等对加固效果的影响,并对振冲密实前后砂样的孔隙率、颗粒排列等细观结构特征进行了研究。与室内细观模型试验对比结果表明,颗粒流理论能够较好地揭示砂土振冲密实的宏细观变化,振冲后砂土的孔隙率、颗粒排列定向性和有序性等细观特性变化与其宏观密实程度具有一定的对应关系。验证了采用颗粒流理论探索砂土振冲加固的可行性和有效性。     

基于弹塑性颗粒流本构模型的Lac du Bonnet花岗岩破坏细观机理模拟

考虑理想弹塑性弯扭-Mohr-Coulomb-最大拉应力破坏准则,以及拉伸失效、压剪失效、转动屈服和扭转屈服4种失效模式,提出一种新的离散元弹塑性本构模型。该模型植入二次开发的三维颗粒流程序,通过数值试验研究宏细观参数关系,模拟Lac du Bonnet(LDB)花岗岩试样压剪和拉伸强度试验。研究表明:颗粒转动弹塑性弯扭矩对宏观内摩擦角和黏聚力具有显著影响;宏观黏聚力随细观黏聚力和屈服弯扭矩增加而趋于恒定;宏观内摩擦角随屈服弯扭矩和细观摩擦系数增加而增加;岩石宏观单轴抗拉强度随细观极限拉应力的增加而趋于恒定;宏观弹性模量和泊松比主要受细观弹性模量和刚度比影响。弹塑性颗粒流本构模型模拟的LDB花岗岩的强度参数和变形参数,以及压拉强度比和裂缝分布与室内试验结果吻合较好。LDB花岗岩单轴压剪模拟试验在达到峰值应力前,试样内部裂缝以细观拉伸裂缝为主,从试样端部向中部发展成近似X状;在接近或超过峰值应力后,试样内部开始出现压剪裂缝、转动屈服裂缝和扭转屈服裂缝,从试样一端向另一端发展成单斜状,其倾角与宏观破坏倾角接近,发展成宏观压剪破坏面,从而揭示了宏观裂缝形成的细观机理。     

砂土振冲密实的细观颗粒流模拟

通过引进和开发二维颗粒流程序，采用PFC2D内置的Fishtank函数库和FISH语言，定义了模拟砂粒和振冲棒的颗粒块（clump），建立了模拟砂土地基振冲加固过程的细观颗粒流模型以及相应的边界条件，探讨了振动频率和振冲方向等对加固效果的影响，对振冲密实前后砂样的孔隙率、颗粒排列等细观组构特征进行了研究，并与室内细观模型试验进行了对比。结果表明，颗粒流理论能够较好地揭示砂土振冲密实的宏细观变化，振冲后砂土的孔隙率、颗粒排列定向性和有序性等细观组构变化与其宏观密实具有一定的对应关系。研究成果验证了采用颗粒流理论探索砂土振冲加固的可行性和有效性，并为进一步研究砂土振冲密实宏细观机理提供了一条新的思路。     

基于细观层次的轻骨料混凝土压缩破坏及端面效应数值模拟

为探索轻骨料混凝土力学性能及破坏规律,采用细观数值模拟方法,将轻骨料混凝土看作由球形轻骨料颗粒与砂浆基质组成的两相非均质复合材料,建立三维随机骨料模型,模拟轻骨料混凝土单轴抗压破坏过程,研究分析加载端面约束效应对其裂纹扩展及材料力学性能的影响。研究结果表明：(1)与普通混凝土相比,轻骨料混凝土压缩破坏时,裂纹最先发生在轻骨料处,且裂纹会直接贯穿轻骨料进行延伸;(2)加载端面无约束试件最终形成轴向劈裂破坏,有约束试件最终形成倒锥形破坏;(3)加载端面无约束试件的抗压强度与峰值应变相对于有约束试件分别降低了29.6%、45.5%。该模型及模拟结果为传统宏观试验的不足提供了有效补充。     

基于颗粒流的多级旋扩桩承载特性宏细观研究

基于二维离散元软件PFC^2D模拟多级旋扩桩在单桩竖向受荷条件下的静载试验,揭示多级旋扩桩的承载特性以及桩-土相互作用规律。研究结果表明:①在加载过程中,随着荷载的增大,上部桩身侧摩阻力、桩身扩径段阻力、桩端阻力是依次发挥承载能力作用的;②在加载过程中,当荷载较小时,荷载主要由桩身侧摩阻力承担,随着荷载逐步增大,桩身扩径段分担荷载的比例快速增大,当荷载继续增大,荷载增加的部分主要由桩端阻力承担,此时桩端阻力分担荷载的比例快速增大;③在加载过程中,随着荷载的增大,桩周土体的孔隙率、土颗粒之间的配位数、土体水平向应力、土体竖直向应力,以及桩周土颗粒的位移均呈有规律的变化。     

基于透明土技术与颗粒流方法联合开展管涌细观机理研究

我国现今拥有堤防总长度超30万公里,但管涌型渗透破坏频发,造成极大社会经济损失,故开展管涌细观机理研究对于解决堤防工程安全问题具有重要意义.当前有关管涌细观机理研究主要从模型试验、数值模拟两个方面开展,并且大多从颗粒摩擦系数、颗粒级配和细料含量等角度揭示该细观机理.本文提出一种基于透明土技术、颗粒流模拟联合开展该细观机...